黃 三,張法全,王 焱,劉艷釗

(桂林電子科技大學信息與通信學院,廣西桂林 541004)

基于4位7段柔性數(shù)碼管的數(shù)字編解碼方案設計

黃 三,張法全,王 焱,劉艷釗

(桂林電子科技大學信息與通信學院,廣西桂林 541004)

為了滿足PDLC型柔性數(shù)碼管顯示器的動態(tài)顯示需求,提出一種簡便的數(shù)字編解碼方案,用于對4位7段柔性數(shù)碼管顯示內(nèi)容的控制。運用對比研究和軟硬件相結(jié)合的方法,設計了以51單片機為核心、鎖存器和達林頓管陣列芯片為輔助器件的硬件電路系統(tǒng)以及對應的數(shù)字編碼、解碼方案,用C語言實現(xiàn)了該編解碼方案的算法,并完成了軟硬件調(diào)試任務。實驗結(jié)果表明,柔性數(shù)碼管可顯示4位相同數(shù)字和4位不同數(shù)字,顯示的內(nèi)容完整清晰,這套編解碼方案簡易可行。

PDLC型柔性數(shù)碼管;數(shù)字編碼方案;數(shù)字解碼方案;51單片機;達林頓管陣列

近年來,與玻璃板具有相同阻擋性能的柔性基板材料成為顯示器制造商青睞的材料,與其他顯示器相比,柔性顯示器具有許多潛在的優(yōu)勢:薄而輕、可彎曲、耐沖擊、低功耗以及清潔環(huán)保等,這些優(yōu)勢使柔性顯示器具有廣闊的市場前景[1]。目前,國外的三星、LG、英特爾等公司紛紛高調(diào)亮出了各自的柔性顯示產(chǎn)品,如三星聯(lián)合微軟推出的采用Youm柔性屏幕的Windows Phone8原型機,LG推出的柔性塑料電子紙顯示屏等。雖然華為在2014年的MWC大會上也發(fā)布了采用1.4寸超薄柔性屏的Talk Band手環(huán)[2],但是,國內(nèi)對柔性顯示技術(shù)的研究仍處于實驗階段,離產(chǎn)品應用尚有一定的距離,而且行業(yè)內(nèi)的相關(guān)技術(shù)標準和工藝流程也未統(tǒng)一,仍有許多研究工作要做。PDLC型柔性數(shù)碼管作為柔性顯示器的一種基本類型,是研究大型點陣型柔性顯示器的基礎。在缺乏可利用的參考文獻的情況下,從工程應用的實際出發(fā),針對應用需求和PDLC型柔性數(shù)碼管的特殊性,設計了顯示控制電路,并基于該電路設計和實現(xiàn)了具有較強實用性和較高可靠性的數(shù)字編解碼方案。

1 PDLC型柔性數(shù)碼管

與普通的數(shù)碼管相比,PDLC型柔性數(shù)碼管有許多不同之處,主要表現(xiàn)在驅(qū)動電壓較高、刷新頻率較快、內(nèi)部結(jié)構(gòu)獨特以及引腳排列特殊等。因此,在設計顯示驅(qū)動電路和軟件程序時,必須結(jié)合柔性數(shù)碼管的特殊性設計合適的解決方案。普通數(shù)碼管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示,PDLC型柔性數(shù)碼管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 普通數(shù)碼管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.1 The internal structure of ordinary nixie tube

圖2 柔性數(shù)碼管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.2 The internal structure of flexible nixie tube

比較圖1和圖2可知,普通數(shù)碼管通常只有12個外接引腳、8個段選端和4個位選端,其中,4個數(shù)碼位共用8個段選端引腳[3]。在顯示數(shù)據(jù)時,通過控制D0、D1、D2、D3這4個位選端的電平即可達到控制各數(shù)碼位亮滅的目的。然而,柔性數(shù)碼管卻不同,它沒有位選端引腳,只有28個段選端引腳和1個公共端引腳(圖中沒有標出,通常將柔性數(shù)碼管的基板當作公共端),并且各段選端不共用外部引腳,所以只能通過控制段選端與公共端之間的電壓差控制各數(shù)碼段的亮滅。對照圖3所標注的數(shù)碼段名稱,結(jié)合圖2,柔性數(shù)碼管各數(shù)碼位上數(shù)碼段與外部引腳的對應情況如表1所示。

圖3 單位7段數(shù)碼管Fig.3 Single seven-segment nixie tube

表1 各數(shù)碼段與外部引腳的對應關(guān)系Tab.1 The corresponding relation of each segment and external pins

比較2種數(shù)碼管的顯示原理可知,普通數(shù)碼管動態(tài)顯示采用“按位輪尋”的方式,即按數(shù)碼位輪流顯示,利用發(fā)光管的余輝和人眼的視覺暫留效應,使人感覺好像各位數(shù)碼管同時在顯示,而實際上4位數(shù)碼管是輪流顯示的,只是輪流的速度非常快,人眼無法分辨[4]。然而,柔性數(shù)碼管因其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部引腳的特殊性,只能采用“按端口掃描”的方式,即對需要點亮的數(shù)碼段的引腳端口進行動態(tài)掃描和刷新,控制這些端口的電平翻轉(zhuǎn)才能點亮這些數(shù)碼段。根據(jù)柔性數(shù)碼管的參數(shù)特性可知,當電平翻轉(zhuǎn)的頻率為4 k Hz時,顯示效果最佳。

2 硬件設計

數(shù)字編解碼的硬件電路主要包括單片機最小系統(tǒng)、鎖存器和電壓通斷控制芯片3部分。單片機因其高性能、價格低、體積小、穩(wěn)定可靠,被作為核心部件投入使用[5]。本設計它被用作主控系統(tǒng),具有復位、控制數(shù)碼管顯示內(nèi)容以及控制顯示效果等功能。由于編解碼所處理的數(shù)據(jù)量不大,并且對單片機的主頻要求不高,采用較廉價的51單片機作為主控制器。鎖存器用于解決單片機I/O口資源緊張的問題,有助于提高I/O口資源的利用率,從而擴展單片機的功能[6]。本設計采用型號為SN74HC573N的鎖存器芯片,它是一款8路上升沿觸發(fā)型的鎖存器,工作電壓為2～6 V,當鎖存控制端LE為高電平時更新狀態(tài),為低電平時則進入鎖存狀態(tài)。由于柔性數(shù)碼管要求的驅(qū)動電壓較高,需借助電壓通斷控制芯片控制高電壓,以確保邏輯電路的安全和穩(wěn)定。比較繼電器、光耦和達林頓管等器件,本設計采用開關(guān)速度快、穩(wěn)定性好且集成度高的達林頓管陣列芯片ULN2803A,其輸出電壓高達50 V,輸出電流高達500 m A,可滿足設計的要求[7]。數(shù)碼管顯示控制電路的原理圖如圖4所示。

圖4 數(shù)碼管顯示控制電路Fig.4 The display and control circuit

3 編解碼方案設計

3.1 編碼方案設計

柔性數(shù)碼管的編碼設計主要是對各位數(shù)碼管上數(shù)字0～9的編碼。由于柔性數(shù)碼管的4個數(shù)碼位不共用段選端,對于不同數(shù)碼位上顯示相同數(shù)字的情況均需單獨編碼,整個編碼方案包含40次編碼計算。由于本編碼方案最終需利用軟件程序和硬件平臺實現(xiàn),在設計編碼方案中必須綜合考慮編碼方案的實用性。4位7段柔性數(shù)碼管共有29個引腳需控制,且每個引腳相互獨立,采用28位以上的編碼方案?？紤]程序設計中變量長度的問題,本設計采用32位的編碼方案,編碼變量的類型采用無符號長整型。編碼時,編碼變量的位序號與數(shù)碼管的引腳序號一一對應。具體的編碼步驟為:

1)定義一個32位的無符號長整型編碼變量,規(guī)定從左至右依次為該變量的第1位、第2位……第32位,分別對應數(shù)碼管的引腳1～28(后4位閑置不用,編碼時均置0);

2)從左起第1位數(shù)碼管開始編碼,按照從數(shù)字0到數(shù)字9的順序依次編碼,對照圖3和表1,結(jié)合要顯示的數(shù)字內(nèi)容找出第1位數(shù)碼管中要被點亮的數(shù)碼段的引腳序號,然后將編碼變量中與此引腳序號相對應的數(shù)據(jù)位置0;

3)找出第1位數(shù)碼管中不被點亮的數(shù)碼段的引腳序號,并將編碼變量中與此引腳序號相對應的數(shù)據(jù)位置1;

4)將編碼變量中剩余的位全置0;

5)取編碼值,對編碼變量從第32位到第1位按照逆序取編碼值,然后將編碼值由二進制轉(zhuǎn)換成十進制,生成第1位數(shù)碼管顯示某個數(shù)字時的編碼值。

后3位數(shù)碼管上的數(shù)字編碼方法與第1位數(shù)碼管的相同,均可仿照以上編碼步驟進行編碼,當完成第4位數(shù)碼管上數(shù)字9的編碼,即可得到一組完整的編碼值。對以上編碼值進行整理,得到如表2所示的數(shù)碼管編碼表。

表2 數(shù)碼管編碼表Tab.2 The code table of flexible nixie tube

以第1位數(shù)碼管的數(shù)字4為例進行編碼演示。1)定義一個32位的無符號長整型編碼變量Duan-Ma1_4,將該變量的位號依次填入表3;2)對照圖3和表1,找出在第1位數(shù)碼管上顯示數(shù)字4時要點亮的數(shù)碼段的引腳序號,它們分別是4、6、7、10,按照編碼規(guī)則將編碼變量中與這些引腳序號相對應的數(shù)據(jù)位置0,即在表3中將位號為4、6、7、10的項填“0”; 3)找出第1位數(shù)碼管中不被點亮的數(shù)碼段的引腳序號,它們分別是5、8、9,按照編碼規(guī)則將編碼變量中與這些引腳序號相對應的數(shù)據(jù)位置1,即在表3中將位號為5、8、9的項填“1”;4)將表3中剩余的項全填“0”;5)逆序取編碼值,從第32位開始,一直取至第1位,得到二進制數(shù)值(110010000),轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)為400,即是第1位數(shù)碼管顯示數(shù)字4時的編碼值。

表3 第1位數(shù)碼管數(shù)字4的編碼表Tab.3 The code table of the first number four

3.2 解碼方案設計

本設計的編碼由人工手動完成,而解碼則需單片機和硬件電路完成。解碼方案的工作流程如圖5所示。

圖5 解碼流程圖Fig.5 The flow chart for decoding

具體的解碼過程為:

1)將待顯示的4位數(shù)字的編碼值進行位或運算,得到一個新的32位的數(shù)值,并將它賦給變量temp。

2)截取變量temp低8位(位7至位0)上的數(shù)值,并將取得的值賦給單片機的P0口,開啟第1塊鎖存器芯片的鎖存端,將P0口的值送入鎖存器中(對應數(shù)碼管的1～8號引腳)。

3)關(guān)閉第1塊鎖存器芯片的鎖存端,將變量temp右移8位后取低8位上的數(shù)值,并將取得的值賦給單片機的P0口,開啟第2塊鎖存器芯片的鎖存端,將P0口的值送入鎖存器中(對應數(shù)碼管的9～16號引腳)。

4)關(guān)閉第2塊鎖存器芯片的鎖存端,將變量temp右移16位后取低8位上的數(shù)值,并將取得的值賦給單片機的P0口,開啟第3塊鎖存器芯片的鎖存端,將P0口的值送入鎖存器中(對應數(shù)碼管的17～ 24號引腳)。

5)關(guān)閉第3塊鎖存器芯片的鎖存端,將變量temp右移24位后取低8位上的數(shù)值,并將取得的值賦給單片機的P0口,開啟第4塊鎖存器芯片的鎖存端,將P0口的值送入鎖存器中(對應數(shù)碼管的25～28號引腳)。

6)關(guān)閉第4塊鎖存器芯片的鎖存端,延時控制和脈沖翻轉(zhuǎn)。根據(jù)柔性數(shù)碼管的參數(shù)特性可知,當脈沖電平的翻轉(zhuǎn)頻率為4 k Hz、占空比為50%時,數(shù)碼管的顯示效果最佳,故需延時125μs。達林頓管的邏輯功能等效于邏輯“非”,因此,延時125μs后將4塊鎖存器芯片的輸出端口全部置為高電平,即可達到脈沖電壓翻轉(zhuǎn)的目的。

解碼方案的C語言實現(xiàn)過程如下:

void Display(unsigned char a,unsigned char b, u-nsigned char c,unsigned char d)//a、b、c、d分別

//為各數(shù)碼管上待顯示的數(shù)字

{

unsigned long temp=0;

temp=Duan Ma1[a]|Duan Ma2[b]|Duan-Ma3[c]|Duan Ma4[d];//數(shù)組Duan Ma1[10]、Duan

//Ma2[10]、Duan Ma3[10]、Duan Ma4[10]中

//分別存放了各數(shù)碼位的數(shù)字編碼值

DataPort=temp;

Latch1=1;

Latch1=0;

DataPort=(temp＞＞8);

Latch2=1;

Latch2=0;

DataPort=(temp＞＞16);

Latch3=1;

Latch3=0;

DataPort=(temp＞＞24);

Latch4=1;

Latch4=0;

Delay Us(125);//延時125μs

DataPort=0xff;

P2=0x0f;

P2=0x00;

Delay Us(125);

}

4 編解碼方案驗證

編解碼方案的驗證主要包括可行性驗證和正確性驗證,在驗證的過程中,若數(shù)碼管的數(shù)碼段能正常點亮,且僅有部分數(shù)字亂碼,則說明本設計方案可行,只需對部分數(shù)字的編碼值進行修改即可;若4位數(shù)碼管能準確地顯示0000～9999內(nèi)的所有數(shù),則說明本設計方案正確,所有的編碼值均無錯誤。具體的驗證工作分為以下2部分:

1)在2位數(shù)碼管上依次顯示0000,1111,…, 9999等10個數(shù),驗證各個編碼值的正確性。由編解碼方案可知,Display函數(shù)的實參值應分別為(64, 1024,16384,262144),(496,7174,201441280, 27000832),…,(128,2048,32768,524288),將這些編碼值分別寫入程序,通過Keil軟件編譯后下載到單片機芯片中,上電后觀察實驗效果,數(shù)碼管被成功點亮,并且完整地顯示了上述10個數(shù),說明各個編碼值均正確無誤。圖6(a)為數(shù)碼管顯示了2222四個數(shù)。

2)在數(shù)碼管上顯示4位不同的數(shù)字,驗證柔性數(shù)碼管的實用性。以顯示數(shù)字4567為例,根據(jù)編解碼方案可知,Display函數(shù)的實參值應為(400,2049, 33554432,18612224),將其寫入程序中,編譯下載后觀察顯示效果。圖6(b)為數(shù)碼管顯示了數(shù)字4567,說明柔性數(shù)碼管能顯示4位不同的數(shù)字。

圖6 編解碼方案實現(xiàn)效果Fig.6 The experimental results of coding and decoding scheme

5 結(jié)束語

針對PDLC型柔性數(shù)碼管的特殊性,設計了相應的顯示控制電路,并基于該硬件平臺給出了數(shù)字編解碼方案和實現(xiàn)方法。實驗結(jié)果表明,基于4位7段柔性數(shù)碼管的數(shù)字編解碼方案具有較強的實用性,可應用于汽車儀表盤、數(shù)字腕表等電子產(chǎn)品。

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編輯:翁史振

Design of digital coding and decoding scheme based on flexible nixie tube with twenty-eight segments

Huang San,Zhang Faquan,Wang Yan,Liu Yanzhao
(School of Information and Communication Engineering,Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004,China)

To satisfy the need for dynamic display of PDLC flexible nixie tube,a simple scheme for digital coding and decoding is proposed to control the seven-segment flexible nixie tube display figures.With the methods of comparison and combining software with hardware,a control system based on 51 MCU is designed,which is combined with latches and Darlington transistor arrays,etc.The corresponding digital coding and decoding scheme based on this hardware platform is designed. Finally,the algorithm of this digital coding and decoding scheme is implemented by using C language,and the task for debugging software and hardware is completed.The results indicate that the flexible digital tube can display figures clearly. This coding and decoding scheme is simple and feasible.

PDLC flexible nixie tube;digital coding scheme;digital decoding scheme;51 MCU;Darlington transistor arrays

TP391.8

:A

:1673-808X(2015)04-0284-06

2014-11-12

桂林電子科技大學研究生教育創(chuàng)新計劃(GDYCSZ201461)

張法全(1969―),男,河南林州人,副教授,博士,研究方向為機器視覺、信息處理與模式識別。E-mail:zhangfq@guet.edu.cn

黃三,張法全,王焱,等.基于4位7段柔性數(shù)碼管的數(shù)字編解碼方案設計[J].桂林電子科技大學學報,2015,35(4):284-289.